C++ 裏的「陣列」

作 者 | 吳詠煒

出品 | 程式人生（ID：coder_life）

C 陣列的問題

C 裏面就有陣列。但是，C 陣列具有很多缺陷，使用 中有很多的陷阱。我們先來看一下 其中的幾個問題。

問題一：傳參退化問題

你可以一眼看出下面程式碼的問題嗎？

#define ARRAY_LEN(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))voidTest(int a[8]){cout << ARRAY_LEN(a) << endl;}

如果函式 Test 被呼叫的話，它的輸出結果一般不是 8，而是 2。C 的老手一定能看出問題所在，但新手很容易就迷糊了。

幸運的是，編譯器現在一般能直接對這個問題進行告警。你應該會見到類似下面這樣的告警資訊：

warning: ‘sizeof’ on array function parameter ‘a’ will return size of ‘int *’ [-Wsizeof-array-argument]

cout << ARRAY_LEN(a) << endl;

編譯器會明確告訴你， a 被理解成了 int* ，而不是陣列。

問題二：復制問題

跟上面退化問題緊密相關的一點是，C 陣列不能被復制（所以傳參有退化）。下面的程式碼無法透過編譯：

int a[3] = {1, 2, 3};int b[3] = a; // 不能編譯b = a; // 不能編譯

復制和退化這兩個問題是緊密相關的，但這種語言的不規則性還是帶來了學習和理解上的困難。如果我們想要一個陣列能夠被復制，就得把它放到結構體（或聯合體）裏面去。這至少會帶來語法上的不便。

問題三：語法問題

C 陣列的語法設計也絕對稱不上有良好的可讀性。你能一眼看出下面兩個聲明分別是什麽意思嗎？

int (*fpa[3])(constchar*);int (*(*fp)(constchar*))[3];

（下面會給出回答。）

問題四：動態問題

最早的 C 陣列大小是完全固定的，這實際上既不方便又不安全。當然，我們可以用 malloc 來動態分配記憶體，到了 C99 還可以用變長陣列，但它們要麽使用不夠方便，要麽長度不能在建立後變化（如動態增長）。這些問題使得 C 的程式碼裏常常在不該使用定長陣列的時候也使用了定長陣列，並很容易導致安全問題，如 緩沖區溢位 。

C++ 的解決方案

C++ 有兩種常用的替換 C 陣列的方式：

vector

C++ 標準樣版庫（STL）的主要組成部份是：

而說到容器，我們通常第一個討論的就是 vector 。它的名字來源於數學術語，直接轉譯是「向量」的意思，但在實際套用中，我們把它當成動態陣列更為合適。Alex Stepanov 在設計 STL 時借鑒 Scheme 和 Common Lisp 語言起了這個名字，但他後來承認這是個錯誤——這個容器不是數學裏的向量，名字起得並不好。它基本相當於 Java 的 ArrayList 和 Python 的 list 。C++ 裏有更接近數學裏向量的物件，名字是 valarray （很少有人使用，我也不打算介紹）。

vector 的成員在記憶體裏連續存放。 begin 、 end 成員函式返回的 叠代器 構成了一個半閉半開區間，而 front 、 back 成員函式則返回指向首項和尾項的 參照 ，如下圖所示：

因為 v ector 的元素放在堆上，它也自然可以受益於現代 C++ 的移動語意——移動 vector 具有很低的開銷，通常只是操 作六個指標而已。

下面的程式碼展示了 vector 的基本用法：

vector<int> v{1, 2, 3, 4};v.push_back(5);v.insert(v.begin(), 0);for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {cout << v[i] << ' '; // 輸出 0 1 2 3 4}cout << '\n';int sum = 0;for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) { sum += *it;}cout << sum << '\n'; // 輸出 15

上面的程式碼裏我們首先構造了一個內容為 {1, 2, 3, 4} 的 vector ，然後在尾部追加一項 5 ，在開頭插入一項 0 。接下來，我們使用傳統的下標方式來遍歷，並輸出其中的每一項。隨即我們展示了 C++ 裏通用的使用叠代器遍歷的做法，對其中的內容進行累加。最後輸出結果。

當一個容器存在 push _… 和 pop_… 成員函式時，說明容器對指定位置的刪除和插入效能較高。 vector 適合在尾部操作，這是它的記憶體布局決定的（它只支持 push_back 而不支持 push_front ）。只有在尾部插入和刪除時，其他元素才會不需要移動，除非記憶體空間不足導致需要重新分配記憶體空間。

除了容器類的共同點， vector 允許下面的操作（不完全列表）：

大家可以留意一下 push_… 和 pop_… 成員函式。它們存在時，說明容器對指定位置的刪除和插入效能較高。 vector 適合在尾部操作，這是它的記憶體布局決定的。只有在尾部插入和刪除時，其他元素才會不需要移動，除非記憶體空間不足導致需要重新分配記憶體空間。

當 pus h_back 、 insert 、 reserve 、 resize 等函式導致記憶體重分配時，或當 insert 、 erase 導致元素位置移動時， vector 會試圖把元素「移動」到新的記憶體區域。 vector 的一些重要操作（如 push_back ）試圖提供強異常安全保證，即如果操作失敗（發生異常）的話， vector 的內容完全不發生變化，就像資料庫事務失敗發生了回滾一樣。如果元素型別沒有提供一個保證不拋異常的移動建構函式， vector 此時通常會使用拷貝建構函式。因此，我們如果需要用移動來最佳化自己的元素型別的話，那不僅要定義移動建構函式（和移動設定運算子，雖然 push_back 不要求），還應當將其標為 noexcept ，或只在容器中放置物件的智慧指標。

C++11 開始提供的 emplace… 系列函式是為了提升容器的插入效能而設計的。如果你的程式碼裏有 vector<obj> v; 和 v.push_back(Obj()) ，那把後者改成 v.emplace_back() ， v 的結果相同，而效能則有所不同——使用 push_back 會額外生成臨時物件，多一次（移動或拷貝）構造和析構。如果是移動的情況，那會有小幅效能損失；如果物件沒有實作移動的話，那效能差異就可能比較大了。——作為簡單的使用指南，若且唯若我們見到 v.push_back(Obj(…)) 這樣的程式碼時，我們就應當改為 v.emplace_back(…) 。

array

vector 解決了 C 陣列的所有問題，但它畢竟不等價於 C 陣列——堆記憶體分配的開銷還是要比棧高得多。效能完全等同於 C 陣列的 array 容器要到 C++11 才引入，雖然遲了點，但它最終在保留 C 陣列效能的同時消除了前面列的頭三個 C 陣列的問題。

首先， array 沒有不會自動退化。如果你希望高效傳參，就應當用標準的參照傳參的方式，如 void foo(const array<int, 100>& a） 。如果你希望把指標傳給 C 介面，你也可以寫 foo(a.data()) 。如果函式介面就是想復制一個小陣列，那使用 void foo(array<short, 3> a) 這樣的形式也完全沒有問題。

其次，跟上面的問題關聯， array 有了合理的復制行為。下面的程式碼完全合法：

array<int, 3> a{1, 2, 3};array<int, 3> b = a; // OKb = a; // OK

再次，從可讀性角度，你來自己看一下你更喜歡讀哪種風格的程式碼吧：

// 函式指標的陣列int (*fpa[3])(constchar*);array<int (*)(constchar*), 3> fpa;// 返回整數陣列指標的函式的指標int (*(*fp)(constchar*))[3];array<int, 3>* (*fp)(constchar*);

array 的好處還不止這些。由於它的介面跟其他的容器更一致，更容易被使用在泛型程式碼中。你也可以直接拿兩個 array 來進行 ==、< 之類的比較，結果不是 C 陣列的無聊指標比較，而是真正的逐元素比較！

我的培訓課程

【現代 C++ 實戰】是一個我講過很多次的培訓課程，重點在 C++ 語言提供的「現代」特性上，包括了 C++ 的主要慣用法和常用新特性。我會在課程裏討論：

當然，課程是死的，課程裏的交流、課後你自己的練習和拓展才是成長的關鍵。我希望我的課程能帶給你一個看待 C++ 新視角，能在實踐中加以套用；我希望你多多提出問題，由我來為你答疑解惑；我更希望你學完不是就那麽結束了，而是牢牢記住一定要「學而時習之」，把課程的結束當成一個新的學習階段的開始。只有這樣，我的授課才不是白費力氣。

課前熱身直播

如果對以上的 C++培訓有興趣，也有疑問，非常 歡迎你來參加我在 3 月 27 日的免費直播課程【C++ 的序列容器】。屆時我會討論 C++ 裏的序列容器——包括上面提到的 vector 和 array ，以及 deque 、 list 、 forward_list ——並進行更深入 的講解和討論。也歡迎在評論區留下你的問題，我會詳細解答。